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1、总第 1 期 超声波透射法在混凝 土基桩检测 中的影响 因素 超声波透射法在混 凝土基桩 检测 中的影 响因素 欧阳华林 陈 刚 袁立宏 杜小峰 铁道部产品质量监督检验中心桥梁与基础检验站 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 摘 要 介 绍超 声波透射法检测技 术的基本 原理 桩身 混凝土缺陷对声学参数的影响 以及超声波透射法在检测工 作 中存在 的影响 因素 关键词 超声波透射法 检测 桩基 完整性 影响 1 前言 近年来 随着铁路 公路桥梁工程基础建设 的迅 速发展和高层建筑的普及使用 超长 大直径灌注桩 在基础设计 中被普遍采用 目前无损检测灌注基桩 完整性的主要方法有低应变反射波法和超
2、声波透射 法 低应变反射波法检测桩身完整性常受到浅部盲 区 多缺陷和桩长过长等限制 无法检测出桩身浅部 缺陷 多个缺陷 而超声波透射法可以克服上述所 有问题 且超声波透射法机理 明确 设备简单 使用 方便 数据直观明了及检测准确可靠 能定性 定量 地检测基桩桩身完整性 均匀性 广泛应用于公路 水利 建筑 铁路等领域 2 检测原理 超声波透射法检测技术的基本原理是在混凝土 介质中激发一定频率 的弹性波 该弹性波在介质 中 传播时 遇到混凝土介质缺陷会产生反射 透射 绕 射 由接收换能器接收波形 对声时 波幅 频率及波 形特征进行分析 从 而判 断混凝土基桩 的完整性及 缺陷的性质 位置及范围 声
3、波在混凝土中传播的速度是有一定 范围的 当传播路径遇到混凝土有缺陷时如断层 裂缝 夹泥 和密实度差等 声波要绕过缺陷或在传播速度较慢 的介质中通过 声波将发生 衰减 造成传播 时间延 长 使声时增大 计算声速降低 波幅减小 主频减 小 波形畸变 利用超声波在混凝土 中传播的这些声 学参数的变化 可分析判断桩身混凝土质量 3 桩身混凝土缺 陷对声 学参数的影响 目前 在跨孔声波透射法检测中常用 的声学参 数为声速 波幅 频率以及波形 基桩桩身混凝土缺 陷对各个声学参数均有不同程度 的影 响 各个声学 参数 的变化与缺陷具有一定的相关性 3 1 缺陷对声波波速的影响 声波在混凝土中的传播速度与混凝
4、土的弹性性 质有关 也与混凝土 内部结构是否存在 缺陷以及缺 陷程度有关 当声波在传播 路径上遇到离析 空洞 或者夹泥等缺 陷时 由于缺陷介质的声 阻抗与混凝 土介质的声阻抗存在较大的悬殊 根据机械波 的传 播规律 超声波将在混凝土与缺陷 2种 介质界面上 出现反射 折射 漫反射及绕射等现象 由于折射 漫反射及绕射 的声波传播路径都要 比直线传播的路 径长 导致初至波到达接收换能器 的声 时比经过正 常混凝土传播 的时间要长 以换能器间的直线距离 作为传播距离时 有缺陷检测截面的计算声速 视声 速 就减小 3 2 缺陷对声波波幅的影响 声波在混凝土介质 中传播的过程是一个能量不 断衰减 的过程
5、 对于波阻抗越大的介质 声波能量衰 减就越快越 明显 声波波幅值是表征声波穿过混凝 土后能量衰减程度的指标之一 声波波幅的强弱与 混凝土的黏塑性有关l 接收波波 幅值越低 说 明 混凝土对声波的衰减就越大 如果混凝土 内存在不 连续或破损界面时 缺 陷面形成波阻抗界面 波到达 该界面时 产生波的透射和反射 使接收到的透射能 量明显降低 根据混凝 土中声波衰减 的原 因可知 当混凝土中的低强度区 离析区以及夹泥 蜂窝等缺 陷位于超声波传播路径上 时 该 区域对声波能量的 吸收衰减和散射衰减增大 当声波经过该 区域后 接 收波波幅会明显下降 声波波幅值与混凝土质量紧 密相关 它对缺陷区的反应 比声
6、时值更为敏感 所以 它也是判断缺陷的重要参 数之一 另外 波幅受换 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 0 3 作者简介 欧 阳华林 1 9 6 2 一 男 高级工程师 1 9 8 5年毕业于武汉理工大学硅工系 工学学士 2 桥梁检测与加固 2 0 0 8年第 1 期 能器的耦合条件影响较大 通过水 的耦合一般 比较 稳定 且最好使换能器处于声测管居 中位置 3 3 缺陷对声波频率的影响 用于基桩跨孔超声波透射法检测的声波脉冲是 具有一定频率 范 围的复频波 具有多种频率成 分 对于相 同的介质各个频率成分的声波脉冲衰减系数 不一样 而对于不 同的传播介质相 同的频率成分 的 衰减系数也不一样
7、 当它们穿过混凝土后 各频率 成分的衰减程度不 同 高频部分 比低频部分波长要 短 穿透能力较差 衰减严重 因而导致接收信号的 主频率向低频端漂移 其漂移 的多少取决于衰减因 素的严重程度 接收波主频率实质上是介质衰减作 用的一个表征量 当遇到缺陷时 由于高频波成分衰 减严重 使接收波主频率 明显降低E 另外还将伴 随接收波波形 的畸变 所以 通过接收波主频的量 值变化 可以分析判断缺陷产生的区域和严重程度 3 4 缺陷对声波波形的影响 由于声波脉冲在缺陷界面的反射和折射 形成 波线不同的波束 这些波束 由于传播路径不同 或 由 于界面上产生波形转换而形成横波等原因 使得各 波束到达接收换能器
8、的时间不 同 因而使接收波成 为许多同相位或不 同相位波束 的叠加波 导致波形 畸变 所以 波形畸变程度可以作 为判断缺陷程度 的参考依据 声波透过正常混凝土时接收波形有以 下特征 波形规则 显示很好的包络图 无 畸变 首波 陡峭 振幅大 频率高 衰减慢 而透过 有缺陷区域 的混凝土后 接收波波形 的特征为 波形畸变不规则 首波平缓 振 幅小 频率低 衰减快 当缺陷严重且范围较 大时 无法接 收到 波形 1 l 4 超声波透射法检测的影响 因素 超声波透射法检测桩身完整性 主要是通过测 量并分析超声波透过测距 内桩身混凝土的声学参数 来 了解混凝土质量 但是 由于地质情况 施工单位经 验 以及
9、施工工艺 的影响 在实际检测 中会有很 多引 起误判 的客观因素 这些因素与混凝土本身无关 但 又对检测带来一定的影响 作为从事检测工作的技 术人员必须熟悉影响检测数据 的主要因素 在检测 和数据分析处理 中排 除这些影 响 其主要影 响因 素有 1 测距的影响 超声波透射法检测灌注桩之 前首先要测量一下桩顶两声测管外壁问的距离 即 超声波透射法检测的测距 但由于预制钢筋笼和吊 装钢筋笼可能出现声测管偏移 扭曲等情况 很难保 证测管从上 自下保持完全平行 尤其是在桩长达 3 O m 以上时 现场测量 的管距 与实际距离相差较大 将导致各剖面检测结果参数相差较大 管距测量精 度的高低直接影响声学
10、参数测量的准确性 因此在 预制和吊装钢筋笼时 除了要求管子焊接顺直 平行 外 在现场还应进行管距的测量 并结合检测数据和 设计文件对测距进行适当的修正 2 耦合剂的影响 在桩基超声波透射法检测 过程 中 在声测管中注清水作耦合剂 耦合剂的好坏 直接影响接收波的声学参数 但在一些工程检测中 发现管中注的是泥水或者是污水 经过一段 时间的 静置后 泥水发生沉 淀 使探头未能测试到管底 影 响超声波的传播及接 收 在某大桥的水 中桩 直接 注入污染的江水作声测管耦合剂 则导致无法正常检 测 当用清水置换管中污水之后 检测得以顺利进行 3 声测管管接头的影响 中长桩埋设的声测 管往往需要 多节管子连接
11、起来 2节测管之 间的连 接往往采用套焊接而成 也有用橡胶材料套接而成 的 检测时 若换能器正好处在两管接头之处时 就 会造成声时稍有增大 声速下降不太明显 但首波波 幅下降很明显 因此在检测和分析数据时 深度 一 幅度曲线上如出现有规律 的波幅突变时 应分析是 否是管接头的影响 2 l I 4 桩底声测管弯曲的影响 在预制钢筋笼 的 安装以及混凝土灌注过程中会造成声测管底部弯曲 变形 使管距增大或变小 有 时设计的桩底钢筋笼 直径缩小 变径 为了保证声测管的平直 声测管要 穿到钢筋笼外侧 如果不采取加 固措施则很容易使 声测管压弯或打折 甚至折断 当桩底声测管弯 曲 时 其他区域曲线基本正常
12、 桩底部分声速异常 偏 高或偏低 波幅总是 降低 这是 由于声测管弯 曲 使发射与接收换能器不再保持平行 造成波幅降低 由于桩底是缺陷易发生部位 若声测管弯曲 则根据 检测得到的曲线很难判定桩底是否存在缺陷 很可 能发生漏判 误判 给工程 留下安全隐患 5 泥浆护壁灌注桩泥浆比重过大的影响 当 泥浆 比重过大时 在局部声测管周 围可能会 附着一 薄层泥皮 而泥皮的声阻抗远大于正常混凝 土的声 阻抗 声波在两测管问传播 时 将穿过泥皮 会导致 声能的急剧衰减和声时的延长E 当泥皮较薄时 对声速影响不显著 当泥皮较厚时 将使首波声时明 下转 第 6页 6 桥梁检测与加固 2 0 0 8年第 1 期
13、 式 中 为设计 采用的冲击 系数 1 为行车试验实 测的最大冲击系数 为动力试验荷载效率 本次试验中 动力试 验荷载效率为 0 1 l 实测 冲击系数最大值为 0 2 3 4 根据式 1 有 0 23 4 0 11 0 02 6 O 0 5 满足 公路 桥涵 设 计通 用规 范 J T G D6 0 2 0 0 4 的要求 5结论 1 静力加载试 验表明 主梁抗弯强度 和抗剪 强度满足设计要求 卸载后残余应力较小 表明结构 上接 第 2页 显增大 波幅大大地下降 严重时会 出现丢波现象 有时还会造成首波误判 6 混凝土龄期影响 混凝土的凝结过程是混 凝土 自身 内部结构的一个致密 硬化过程
14、混凝土 龄期混凝土内部结构越致密 强度越高 弹性性质越 好 声波在其中的传播速度也越快 同时混凝土对声 能的衰减系数随龄期的增加而减小 但在硬化初期 声速很低 与泥砂夹层难以区别 而且在硬化初期 混凝土对声能的吸收系数较大 信号较低 经验证 明 混凝土强度达到设计标号 6 0 以上时 便能 明 确地判断存在的缺陷 5 结语 处于弹性工作状态 2 主梁挠度校验系数均小于 1 表明结构 的整 体刚度满足设计要求 3 实测的主跨 竖向一阶频 率为 0 7 0 Hz 高 于计算值 也高于按统计规律 的计算值 说明它的竖 向刚度满足设计要求 4 跑车时大桥的最大振幅值为 0 4 8 mm 小 于 公路桥
15、梁承载能力检测评定规程 报批稿 的限 值 也小于类似跨度斜拉桥的振幅 5 实测大桥的冲击系数的最大值为 0 2 3 4 考 虑动力试验荷载效率后为 0 0 2 6 满足 公路桥涵设 计通用规范 J T G D6 0 2 0 0 4 的要求 但不论从检测手段 数据判读还是数据的分析 都存在一些尚需改进 的地方 如检测过程 中干扰波 会叠加到接收波形上 容易造成首波识别误差 声测 管的局部倾斜 造成声测管平行部分和倾斜部分 的 首波初至产生差异 导致误判 现场检测技术人员 应该熟练掌握该种方法的检测 判断技巧 除了必须 具备相应 的理论和一定的检测经验外 还需注意 分析各声学参量发生变化 的原因
16、规避影响检测结 果的影响因素 以避免误判 波形 声速 衰减三 参数法判断的综合应用是缺陷的基本判据和定量分 析 的依据 对混凝土质量的完整性评价应综合考 虑各方面的影响因素 结合现场施 工 地质情况进 行分析判断 避免出现漏判误判等质量事故 经过实践证 明 超声波透射法为一种有效的基 桩完整性检测方法 可以为设计优化提供强有力的 参考文献 证据和参数 促成施工工艺的合理化改进 在保证工 E J T B 1 0 2 1 8 2 0 0 8 铁路工程基桩检测技术规程 s 程质量的同时为最终缩短施工周期 节 约工程建设 2 罗骐先 桩基工程检测手册 M 北京 人民交通出版 成本起到重要 的作用 社 2 0 0 3
